Лекция 6. Двигатели и приводы ГПМ

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕХАНИЗМОВ

В этом разделе рассмотрены только механизмы, находящие общее применение в нескольких группах подъемно-транспортных машин. Специальные механизмы упоминаются лишь при рассмотрении от­дельных видов подъемно-транспортного оборудования. Механиз­мы общего назначения можно классифицировать следующим об­разом:

а) приводы и опорные конструкции:

механизмы подъема и механизмы изменения вылета стрелы кранов, погрузочных машин, экскаваторов и отвалообразователей;

механизмы передвижения и шагающие ходовые механизмы са­моходных транспортирующих машин;

опорно-поворотные устройства кранов, погрузочных машин, экс­каваторов и отвалообразователей;

фрикционные приводы для подъемников, подвесных канатных дорог и некоторых групп транспортирующих машин непрерывного действия;

цепные приводы для многоковшовых экскаваторов и различных машин, например цепных конвейеров и гусеничных механизмов передвижения;

б) особое оборудование: предохранительные устройства.

 

ПРИВОДНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

На любой транспортирующей машине возможно применение двух видов привода: центрального (группового) и индивидуального. При индивидуальном приводе каждый механизм машины приво­дится от собственного двигателя. Однако эти понятия могут отно­ситься также и к одному какому-то механизму машины. Напри­мер, говорят о центральном приводе механизма передвижения или об индивидуальном приводе каждой стороны крана, либо каждой ходовой тележки.

Для привода современных подъемно-транспортных машин при­меняют следующие двигатели:

электродвигатели (преимущественно в индивидуальном приво­де) — асинхронные трехфазные, двигатели постоянного тока;

двигатели внутреннего сгорания (преимущественно в централь­ном приводе);

пневмодвигатели или пнеемоциливдры (в особых случаях для индивидуального привода).

Средством передачи мощности могут служить также гидродви­гатели или гидро-и пневмоцилиндры.

Электрический привод с асинхронным трехфазным электродви­гателем в настоящее время преобладает над всеми другими вида­ми привода.

Электродвигатели работают либо в длительном режиме (средства непрерывного транспорта, карьерное оборудование), либо в повторно-кратковременном (крановые электродвигатели с повы­шенным опрокидывающим моментом).

Применение приводов с двигателями постоянного тока последо­вательного или параллельного возбуждения целесообразно лишь при наличии сети постоянного тока. Это имеет место на некоторых судах, транспортирующих установках (например, экскаваторах), которые не могут быть подключены к сети электроснабжения об­щего пользования и поэтому должны иметь собственную питаю­щую сеть, а также на приводных механизмах, к регулированию скорости вращения которых предъявляются высокие требования (система генератор—двигатель).

Все электроприводы, применяемые во взрыво- или газоопасных помещениях, должны иметь взрывозащищенное исполнение.

Что касается двигателей внутреннего сгорания, то быстроходный дизель почти полностью вытеснил двигатель с искровым зажиганием. При этом имеется в виду в основном четырехтактный многоцилиндровый транспортный двигатель с электростартером. Он имеет либо вертикальное рядное, либо V-образное расположение цилиндров. Ранее часто отдавалось предпочтение двухтактному двигателю из-за его незначительной восприимчивости к ударам, несмотря на больший расход топлива. Двигатель с воздушным охлаждением приобретает все большее признание, так как для его охлаждения не требуется вода, и поэтому нет необходимости в применении низкозамерзающей жидкости.

Дизель незаменим в тех случаях, где невозможно подключение к питающей сети, например, на самоходных и плавучих кранах, погрузчиках, а также на одноковшовых экскаваторах и канавоко­пателях. Преимущества дизеля по сравнению с применявшейся ранее паровой машиной следующие: быстрая эксплуатационная готовность, высокая экономичность, более «изкая стоимость и меньшая занимаемая площадь, поскольку паровой котел стал излишним. С другой стороны, дизель допускает перегрузку приблизи­тельно на 15%; при большей перегрузке резко уменьшается часто­та вращения, и двигатель глохнет. По сравнению с электрическим приводом этот недостаток проявляется еще сильнее, когда решающее значение для выбора мощности двигателя имеет пусковой момент. Если, например, на универсальном экскаваторе заменить дизель центральньм электрическим приводом, то необходимая номинальная мощность последнего составит лишь 50—70% мощности дизеля. Частоту вращения дизеля на холостом ходу можно снизить до 40% номинальной частоты вращения ручным регулирова­нием, в то время как при асинхронном двигателе возможно глубо-

кое регулирование. Принимая во внимание, что дизель значительно тяжелее и дороже асинхронного двигателя с его вспомогательными устройствами, его можно использовать практически лишь в качестве центрального привода. Недостатком обычного дизеля является отсутствие реверса, так что механические силовые передач* должны быть, как правило, реверсируемыми.

Пуск дизеля должен осуществляться без нагрузки, и подклю­чение исполнительных механизмов можно производить только после пуска. Кроме того, шум дизеля является неприятным фактором для оператора, а недостаточно сбалансированные массы возбуждают колебания всей машины. Из-за отработавших газов дизель можно применять в основном в открытых помещениях. При работе в закрытых помещениях он должен быть оборудован устройством очистки отработавших газов.

Пневмодвгатели особенно удобны для конвейеров, работающих во взрывоопасных помещениях, например для стационарных кон­вейеров и передвижных погрузочных машин в шахтах. Для первых достаточно иметь жесткий воздухопровод, в то время как для вто­рых необходимо применять гибкие шланги. Сжатый воздух используется также и для других целей, если при этом может быть применено обычное рабочее давление 6 ат. В механических цехах жесткий воздухопровод является иногда источником энергии для подъемных устройств с пневмоцилиндрами, предназначенных для подачи заготовок на станки. На экскаваторах и отвалообразова-телях управление всеми заслонками при движении осуществляется пневмоцилиндрами.

ПЕРЕДАЧА МОЩНОСТИ

Передача мощности от индивидуального электропривода к рабочему органу осуществляется, как правило, механическим, а иногда и гидравлическим способом (на некоторых типах судовых кранов с качающейся стрелой и механизмах для подъема стрелы берего­вых портовых кранов). Оба способа применяют также при центральном дизельном приводе; в так называемом дизель-электрическом приводе мощность передается электромеханическим способом. Передача мощности от пневмодвигателя может осуществляться только механическим способом.

1. При механическом способе передачи мощности от всех перечисленных видов двигателей преимущественно применяют зубчатые передачи в закрытом корпусе, понижающие частоту вращения двигателя до частоты вращения рабочих органов. При индивидуальном электроприводе эта задача решается просто, а при центральном приводе необходимо еще наличие муфт сцепления между приводимыми от двигателя валами и отдельными рабочими органами.

Ударное воздействие от пуска короткозамкнутого электродвигателя (см. п. 1.1.6) и включения муфты сцепления дизеля можно снизить установкой гидродинамической муфты между двигателем и передаточным механизмом, благодаря чему возможно плавное

трогание рабочего органа. При этом двигатель разгоняется быстрее, чем передаточный механизм, в результате чего наблюдается проскальзывание муфты, которое почти полностью исчезает после постепенного ускорения передачи, а с нею и рабочих органов. Од­нако при этом необходимо учитывать потери при непрерывном режиме работы.

12. При электрическом способе передачи мощности приводной двигатель соединен с одним или двумя генераторами, питающими отдельные двигатели постоянным током (система генератор — дви­гатель). Передача мощности от каждого индивидуального двига­теля к рабочему органу осуществляется механическим способом. При такой схеме обеспечивается возможность бесступенчатого ре­гулирования рабочих скоростей,

3. С той же целью применяют гидравлическую передачу мощности с замкнутым гидравлическим контуром. Центральный двигатель (в основном дизель) при этом способе передачи мощности приводит в движение один или несколько насосов, из которых рабочая жидкость подается распределительными органами к индивидуальным гидродвигателям или гидроцилиндрам. В первом случае обеспечивается вращательное движение, во втором — поступательное.

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ИНДИВИДУАЛЬНОГО
ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Зубчатые передачи. В современных индивидуальных электропри­водах, занимающих преимущественное положение среди приводов транспортирующих машин, каждый рабочий орган приводится от своего электродвигателя (см. рис. 18). Зубчатые передачи выполнены, как правило, с закрытым корпусом. Это преимущественно цилиндрические или цилиндроконические зубчатые передачи с быстроходными колесами, имеющими закаленные шлифованные зубья. Эти передачи почти полностью вытеснили червячные передачи с цилиндрическим червяком. Однако в последнее время вновь стали применять червячные передачи с глобоидным червяком. Од­на червячная передача может заменить две и более цилиндриче­ские и конические зубчатые передачи, что, однако, отражается на КПД. В настоящее время реже применяют открытые цилиндрические зубчатые передачи с защитными кожухами.

Передачи в закрытом корпусе имеют следующие преимущест­ва по сравнению с ранее применявшимися открытыми передачами:

1. Закрытый корпус предохраняет зубчатые зацепления от повреждения.

2. Оси всех валов находятся, как правило, в одной плоскости, совпадающей с плоскостью разъема корпуса передачи. При такой

компоновке обеспечивается легкость монтажа и демонтажа отдельных валов.

3. После демонтажа и повторного монтажа обеспечивается пер­воначальная точность расположения валов и зацепления зубчатых колес без дополнительной выверки, что способствует точной обра­ботке зубьев.

4. Точность зубчатого зацепления и установка валов на под­шипниках качения способствуют повышению КПД и срока службы.

5. Зубчатые зацепления и подшипники в небольших и средних по габаритным размерам корпусах передач смазываются масля­ным туманом, образуемым в результате погружения быстроходных зубчатых колес в масляную ванну. Замена масла производится че­рез большие промежутки времени, вследствие чего упрощается техническое обслуживание. При передаче больших мощностей для смазки зубчатых зацеплений необходим масляный насос.

6. Корпуса передач, как правило, стандартизированы, поэтому
в одном корпусе можно получить различные передаточные отно­
шения заменой одной или нескольких пар зубчатых колес.

Прочие узлы. В механизмах современных подъемно-транспорт­ных машин широко применяют подшипники качения. Применение опор скольжения для валов оправдано только при ударных нагруз­ках или при значительном диаметре подшипника. Опоры скольжения обычно применяют в тех случаях, если есть опасность загрязнения подшипника, например в гусеничных ходовых механизмах. Смазка отдельно установленных подшипников консистентным сма­зочным материалом, как правило, осуществляется автоматическим устройством централизованной смазочной системы, приводимым в движение от промежуточного вала передачи. При подаче консис­тентную смазку можно дозировать в определенных пределах, од­нако не следует подавать слишком обильную смазку, особенно в подшипники качения. Случаи чрезмерной подачи смазки часто наблюдаются на практике, что приводит к повышенному расходу смазочных материалов. Конструктор должен также продумать вопрос о простом расположении трубопроводов смазочной системы и легком доступе к смазочным устройствам и точкам смазки.

Неотъемлемой частью приводных механизмов (при повторно-кратковременном режиме почти всегда, а при постоянном только в необходимых случаях) являются тормоза.

Непременным условием их работы является высокий коэффи­циент трения, поэтому па рабочей поверхности тормозного шкива не должно оставаться смазки и на нее не должно попадать масло.

В последние десятилетия жесткие муфты между отдельными концами валов на кранах часто заменяют зубчатыми или другими компенсирующими муфтами. Применение таких муфт упрощает монтаж и демонтаж отдельных валов передач, благодаря чему ре­монтные работы могут производиться малоквалифицированными рабочими.

1.1.8. К ВОПРОСУ РАСЧЕТА МЕХАНИЗМОВ

При расчете механизмов основное значение, как правило, имеет усталостная или длительная прочность их деталей, при оценке ко­торой необходимо учитывать нагрузки в наиболее неблагоприят­ном случае их действия и колебания. Нагрузки и допускаемые напряжения для несущих конструкций регламентированы стандартами отдельных стран, однако подобных стандартов на детали машин, как правило, нет.

Краны в зависимости от длительности действия максимальной нагрузки подразделяют на отдельные группы нагружения. Образуются нагрузочные спектры.

Некоторые механизмы, например механизмы передвижения и поворота, испытывают часто воздействие максимальных нагрузок, когда максимально нагружены несущие конструкции, следователь­но, при расчете как механизмов, так и металлоконструкций можно исходить из одинаковых исходных положений в отношении нагрузок. Однако это не всегда так. Например, в механизме подъема мостового крана максимальная динамическая нагрузка действует при нахождении грузовой тележки в конце моста, а в пролетной балке — напротив, при нахождении тележки на середине моста.

Таким образом, есть случаи, когда необходимо точно учитывать колебательные процессы.

При определении нагрузок на отдельные детали приводных ме­ханизмов исходными данными являются либо показатели двигате­ля, либо сопротивления, действующие на рабочий орган. При этом учитывают КПД отдельных звеньев приводного механизма. Детали приводов испытывают наиболее неблагоприятную нагрузку при пуске или торможении. При расчете рассматриваемых механизмов должны быть определены наиболее неблагоприятные нагрузки и высокая мощность двигателя, а для некоторых механизмов и необходимый тормозной момент.

Расчеты на прочность в настоящей работе не рассматриваются, их можно выполнять с использованием основных положений сопротивления материалов, по примеру расчетов деталей машин. Выбираемые коэффициенты запаса прочности по отношению к пределу текучести при статической нагрузке или по отношению к ограниченному пределу выносливости либо пределу усталости при динамической нагрузке следует устанавливать большими, если расчет ведется по упрощенной методике.

В транспортирующих машинах непрерывного действия и в механизмах передвижения и поворота с двигателем с фазовым рото­ром приводной момент может достигать при пиковых нагрузках предельного значения, которое равно разности значений опроки­дывающего момента и динамического момента вращающихся масс на валу двигателя.

При этом допускается приблизить значения напряжений деталей приводных механизмов к значению предела выносливости (ко­эффициент запаса п =1,2…1,8), так как дальнейшее повышение этих напряжений невозможно.

Расчет механизмов подъема на прочность осуществляется по максимальной динамической нагрузке ty_HF (не испытательная нагрузка). Подробные указания содержатся в книге «Транспортные средства периодического действия».

При определении мощности двигателя нет необходимости учитывать разброс значений ускорения, а при расчете на прочность их необходимо принимать во внимание.

При расчете рабочих поверхностей или некоторых деталей в целом (например, канатов) как для повторно-кратковременного, так и продолжительного режимов необходимо учитывать их срок службы. По необходимому сроку службы выбирают, например, средние контактные напряжения на боковых поверхностях зубьев зубчатых колес. Исходя из этого срока службы нельзя принимать также слишком большой запас прочности канатов и прокладок конвейерных лент, так как в ином случае снизится их гибкость. Износостойкость определяется в основном средней нагрузкой.